Is Rust a Real Must? From Design to Applications of Multifunctional Fe2O3-based Nanomaterials

La presente tesi di dottorato ha riguardato la progettazione e fabbricazione di nanomateriali multi-funzionali a base di Fe2O3 utilizzando tecniche da fase vapore, quali chemical vapor deposition, sia termica(CVD) che plasma assistita (PECVD), atomic layer deposition (ALD) e sputtering, sia come tali che combinate in originali strategie sintetiche ibride. Le attività di ricerca hanno coperto l'intera catena di produzione, partendo dalla sintesi del precursore molecolare, allo sviluppo e caratterizzazione chimico-fisica dei materiali fino al loro uso in applicazioni funzionali nel campo dell'energia e della salvaguardia ambientale. In particolare, l'attenzione ha inizialmente riguardato la sintesi e caratterizzazione di un nuovo precursore di Fe(II) [Fe(hfa)2TMEDA (hfa = 1,1,1,5,5,5-esauoro-2,4- pentandionato; TMEDA = N,N,N',N'- tetrametiletilenediammina)], il quale possiede proprietà migliorate rispetto ai composti _nora utilizzati per applicazioni CVD. L'uso di questo complesso in esperimenti di CVD termico ha permesso non solo l'ottenimento della fase termodinamicamente più stabile e utilizzata α-Fe2O3, ma delle più rare e scarsamente studiate β- e ε-Fe2O3, che sono state selettivamente sintetizzate in forma pura e con nano-organizzazione controllata. Inoltre, Fe(hfa)2TMEDA _e stato usato anche in esperimenti PECVD come sorgente sia per Fe che per F, sfruttando la peculiare reattivit_a di plasmi freddi di non equilibrio per l'ottenimento di nanosistemi a base di α- e di β-Fe2O3 drogati con uoro. Sulla base degli sforzi dedicati alla sintesi di nanomateriali single-phase con migliorate proprietà funzionali, la fabbricazione di nanocompositi metallo/ossido (M/Fe2O3, con M = Pt, Ag, Au) e ossido/ossido (CuO/Fe2O3, Fe3-xTixO4/Fe2O3) è stata infine realizzata attraverso la combinazione di processi CVD con sputtering o ALD. Lo studio delle correlazioni fra le condizioni di processo, le caratteristiche chimico- fisiche dei nanosistemi e le loro prestazioni funzionali è stato un aspetto cruciale dell'intera ricerca nel corso del progetto di Dottorato. A tal riguardo, la caratterizzazione di composizione, morfologia, micro- e nano-struttura e proprietà ottiche dei materiali, è stata eseguita con l'utilizzo di svariate tecniche analitiche complementari tra di loro. Inoltre, le proprietà funzionali dei nanosistemi sintetizzati sono state indagate in vista del loro possibile utilizzo tecnologico in vari settori [magnetismo, batterie al litio, sensori di gas tossici/infiammabili e applicazioni foto-assistite (idrofilicità foto-indotta, degradazione fotocatalitica di inquinanti, produzione di H2 per via fotocatalitica e fotoelettrochimica)]. I risultati ottenuti in questa tesi dimostrano come la preparazione di sistemi a base di ossido di ferro(III), sia puri che multicomponente, con, composizione di fase (α- or β- or ε-Fe2O3) e nano-organizzazione controllata, come la fabbricazione di nanomateriali multi-componenti a base di ossidi di Fe(III), rappresenta una risposta efficace ai problemi aperti in vari campi tecnologici. In particolare, le strategie da fase vapore adottate aprono interessanti prospettive per una futura scalabilità industriale e commercializzazione dei materiali studiati, un punto chiave per il loro sfruttamento in dispositivi avanzati.